세포 분열의 유사 분열 발레에 별이있는 DNA 묶음 인 염색체는 복잡한 삶에서 주도적 인 역할을합니다. 그러나 염색체가 존재하고 진화하는 방법에 대한 문제는 오랫동안 대답하기가 어려웠습니다. 이것은 부분적으로 염색체 수준의 게놈 정보의 부족과 부분적으로 진화론 적 변화의 Eons가 그 고대 역사에 대한 단서를 씻어 냈다는 의심 때문입니다.
.이제 Science Advances 에 오늘 나타나는 논문에서 버클리 캘리포니아 대학교의 생물 과학 교수 인 Daniel Rokhsar가 이끄는 국제 연구원 팀은 8 억 년 전에 발생한 염색체의 변화를 추적했습니다. 그들은 다세포 동물 수명의 초기 세분 중 3 개로 전달 될 때 인식 할 수있는 29 개의 큰 유전자 블록을 확인했습니다. 이 블록을 마커로 사용하여 과학자들은 초기 동물 그룹이 뚜렷해지면서 염색체가 어떻게 융합되고 재결합되는지 추론했습니다.
연구원들은이 접근법을“게놈 지각학”이라고 부릅니다. 지질 학자들이 대륙의 외관과 움직임을 이해하기 위해 판 구조론에 대한 이해를 사용하는 것과 마찬가지로,이 생물 학자들은 오늘날 우리가 보는 염색체를 어떻게 생성했는지를 재구성하고 있습니다.
.이 연구는 비교 유전체학에서 새로운 시대를 예고했다. 이전에 연구원들은 다른 계통에서 유전자 컬렉션을 연구하고 한 번에 하나의 기본 쌍을 설명했다. 이제 더 많은 염색체 수준의 어셈블리가 이용 가능 해짐에 따라 연구원들은 전체 염색체의 진화를 그들의 기원으로 다시 추적 할 수 있습니다. 그런 다음 해당 정보를 사용하여 통계적 예측을하고 유기체 그룹이 어떻게 관련되어 있는지에 대한 가설을 엄격하게 테스트 할 수 있습니다.
2 년 전, 비슷한 혁신적인 방법을 사용하여 Rokhsar와 그의 동료들은 턱받이 척추 동물의 출현과 함께 게놈 복제의 타이밍에 대한 오랜 미스터리를 해결했습니다. 그러나 접근 방식의 중요성은 순전히 회고 적이 아닙니다. 이러한 발견을하는 과정에서 연구원들은 염색체가 스스로 덩어리를 교환 할 때 발생하는 일을 통제하는 대수적으로 간단한 규칙에 대해 배우고 있습니다. 그 정보는 미래의 게놈 연구를 안내하고 생물 학자들이 아직 시퀀싱되지 않은 종의 게놈에서 무엇을 볼 수 있는지 예측할 수 있습니다.
.캔자스 대학교의 생태학 및 진화 생물학 교수 인 Paulyn Cartwright는“우리는 생명 나무에 걸쳐 염색체 진화에 대한 더 넓은 그림을 얻기 시작했습니다. 그녀는 과학자들이 첫 번째 동물의 염색체에 무엇이 있었는지에 대한 결론을 도출 할 수 있다고 말했다. 또한 염색체의 다양한 함량이 어떻게 변했거나 동일하게, 그리고 동물이 다각화 된 이유를 조사 할 수 있습니다. "우리는 이러한 고품질 게놈을 갖기 전에 실제로 그렇게 할 수 없었습니다."
고대 게놈이 공유하는 것
오늘 발표 된이 연구를 위해 Rokhsar와 대규모 국제 협력자 팀은 Hydra 게놈의 최초의 고품질 염색체 수준 조립을 제작했으며, 이는“유서 깊은 cnidarian”의 모델로 묘사되었습니다. 그것들을 다른 이용 가능한 동물 게놈과 비교함으로써, 그들은 고도로 보존 된 연결된 유전자 그룹을 발견했다. 블록 내의 유전자의 순서는 종종 뒤섞 였지만, 블록 자체는 긴 진화 시간에 걸쳐 안정적이었습니다.
과학자들이 약 20 년 전에 동물 게놈을 시퀀싱하기 시작했을 때, 염색체에 연결된 유전자 그룹의 유전자가 EON에 걸쳐 안정적이고 인식 할 수 있다는 것은 많은 결론이 아니었다.
동물은 6 억 또는 7 억 년 전에 단세포 친척과 분기되었으며, 영국의 브리스톨 대학교 (University of Bristol)의 진화론 생물 학자 인 요르디 아파스 (Jordi Paps)는“그 기간이 지난 후에도 여전히 보존되고있는 염색체 조각을 인식 할 수 있다는 사실을 인식 할 수 있다는 점”이라고 말했다.
Cartwright는“이 전체 염색체 데이터를 갖기 전에 염색체의 작은 스 니펫을보고 있었고 많은 재배치를보고있었습니다. "따라서 우리는 염색체의 한 영역 내에서 유전자 자체가 위치를 자주 변화시키기 때문에 보존이 없다고 가정했습니다."
.그럼에도 불구하고, 유전자의 순서는 염색체를 따라 종종 재구성되었지만, Rokhsar는 유전자가 함께 나타나는 상대적 안정성이 있다는 동물 게놈에 대한 그의 초기 연구에서 직관적으로 입장했다. Rokhsar는“바다 아네모네 또는 스폰지를 인간과 비교하면 유전자가 같은 DNA 조각에 있다는 사실은 보존 된 것처럼 보였다”고 설명했다. "그리고 패턴은 전체 염색체도 보존되었다고 제안했다." 그러나이 개념은 최근까지 다양한 동물 그룹에 대한 충분한 염색체 규모의 게놈 정보를 사용할 수있게 될 때까지 테스트 할 수 없었습니다.
게놈 관성
그러나 유전자 블록이 함께 연결되어있는 이유는 무엇입니까? 이 현상에 대한 한 가지 설명은 Synteny라고 불리는 유전자 기능과 관련이 있다고 Mammalian Genomes의 진화를 연구하는 Davis 캘리포니아 대학의 진화 및 생태학 교수 인 Harris Lewin은 말합니다. 함께 작용하는 유전자가 물리적으로 함께 위치하는 것이 더 효율적일 수 있습니다. 그렇게하면 세포가 유전자를 전사해야 할 때 다른 염색체의 여러 위치에서 전사를 조정할 필요가 없습니다.
이것은 아마도 배열이 중요한 일부 유전자 세트의 보존을 설명 할 것입니다 : hox 예를 들어 동물의 신체 계획을 세우는 유전자는 신체 패터닝을 올바르게 설정하기 위해 특정 순서이어야합니다. 그러나 단단히 연결된 유전자는 비교적 짧은 비트의 DNA에 속합니다. Rokhsar는 자신의 발견을 설명 할 수있는 전체 염색체에 걸쳐 확장되는 기능적 상관 관계를 모른다고 말합니다.
.그렇기 때문에 Rokhsar는 기능적 설명에 회의적입니다. 염색체 재 배열이 큰 기능적 이점을 전달하지 않으면 재 배열이 확산되기가 어렵 기 때문에 매력적입니다 (“그것은 가장 멋진 결과입니다. 재배치는 일반적으로 유리하지 않습니다. 감수 분열과 게임의 형성 동안 모든 염색체는 매칭 파트너와 짝을 이루어야합니다. 파트너가 없으면 홀수 크기의 염색체는 생존 가능한 게임의 일부가되지 않으므로 다음 세대로 만들지 않을 것입니다. 크로 모솜 내에서 유전자 순서를 개편하는 작은 돌연변이는 여전히 발생할 수 있습니다 (“작은 재 배열 측면에서 오류의 작은 공간이있을 수 있으므로 여전히 서로를 인식 할 수 있습니다.”라고 Cartwright는 말했습니다. 그러나 파손되거나 융합 된 염색체는 막 다른 골목 인 경향이 있습니다.
인구 크기가 적은 포유 동물과 같은 그룹에서는 유전자 드리프트라고 알려진 것을 무작위로 퍼뜨릴 수 있다고 Rokhsar는 제안합니다. 그러나 수백 또는 수천 개의 알을 낳은 해양 무척추 동물과 같은 인구를 자유롭게 혼합하는 크고,“새로운 재배치 중 하나가 잡히기가 정말 어렵습니다.”라고 그는 말했습니다. “그들이 시도되지 않은 것은 아닙니다. 그들이 진화에 발가락을 얻을 수는 없다는 것입니다.”
결과적으로 유전자는 하나의 염색체에 붙어있는 경향이 있습니다. Rokhsar는“그들이 움직이는 과정은 5 억 년의 규모로 느리게 진행됩니다. "엄청난 시간이 있었음에도 불구하고 여전히 움직일만큼 오래 걸리지 않습니다."
.그러나 Rokhsar의 팀은 희귀 한 염색체 융합이 발생했을 때 명확한 서명을 남겼다는 것을 발견했습니다. 융합 후 두 블록의 유전자가 섞여서“반전 돌연변이”가 시간이 지남에 따라 축적되어 재정렬되었습니다. 결과적으로, 두 블록의 유전자는 우유가 차 한 잔에 쏟아져 섞여서 다시는 분리되지 않습니다. Rokhsar는“실행 취소 할 수없는 믹싱을 향한 엔트로피 드라이브가 있습니다.
그리고 유전자 블록 융합, 혼합물 및 복제 과정은 매우 드물고 돌이킬 수없고 구체적이기 때문에 추적 가능합니다. 염색체가 같은 장소에서 두 번 깨지고 같은 방식으로 다른 유전자 블록과 융합하고 혼합 할 가능성은 거의 없습니다.
.따라서 염색체에서 이러한 사건의 시그니처는 생물 학자들이 종의 관련 방법에 대한 가설을 테스트하는 데 사용할 수있는 새로운 유래 특성 세트를 나타냅니다. 두 계통이 두 개의 유전자 블록의 혼합물을 공유한다면, 혼합은 공통 조상에서 발생했을 가능성이 높습니다. 계통에 동일한 유전자 블록의 두 세트가있는 경우, 공통 조상에서 게놈 복제가 발생했을 것입니다. 비엔나 대학교의 게놈 연주자이자 논문의 첫 번째 저자 인 올레그 시마 코프 (Oleg Simakov)는 신디니를“매우 강력한 도구”라고 말했다.
진화 사건의 지문
Rokhsar는“우리의 연구에서 내가 가장 좋아하는 측면 중 하나는 아직 시퀀싱되지 않은 게놈에서 무엇을 기대 해야하는지 예측한다는 것입니다. . 예를 들어, 그의 팀은 나선형으로 분류 된 다양한 무척추 동물이 모두 4 가지 특정 퓨전-혼합 패턴을 공유한다는 것을 발견했습니다. 이는 융합 사건이 공통 조상에서 발생했음을 의미합니다. Rokhsar는“모든 Spiralians는 이러한 융합-혼합 패턴을 보여 주어야합니다. "이러한 패턴이 부족한 하나의 나선형 인이 발견되면 가설을 거부 할 수 있습니다!"
그는 다음과 같이 덧붙였습니다.
그들의 새로운 과학 발전에서 Paper, Simakov, Rokhsar 및 동료들은 지각 접근법을 사용하여 약 8 억년 전에 가장 초기 동물 그룹의 출현에 대해 더 많이 배우고있었습니다. 스폰지, cnidarians (예 :Hydras, 해파리 및 산호) 및 Bilaterians (양측 대칭을 가진 동물)로 대표되는 동물 생활의 넓은 늪을 살펴보면 연구원들은 염색체 사이에서 고도로 보존 된 29 개의 유전자를 발견했습니다.
.그런 다음, 그들이 확인한 염색체 융합 및 유전자 혼합 규칙을 사용하여 연구자들은 공통 조상 으로부터이 세 계통의 진화와 함께 염색체 수준의 사건을 재구성했습니다. 그들은 스폰지, cnidarians 및 bilaterian의 염색체가 모두 조상 게놈의 요소를 결합하는 독특한 방법을 나타냅니다.
.하나의 도발적인 발견은 연결된 유전자 블록 중 일부가 또한 다세포 동물의 가장 가까운 친척 인 Choanoflagellates와 같은 특정 단세포 생물의 게놈에 존재하는 것으로 보인다. 다세포 동물에서, 이들 블록 중 하나는 일반적인 신체 구조의 발달을 안내하는 다양한 Homeobox 유전자 세트를 보유하고 있습니다. 이것은 다세포 동물의 출현에서 가장 초기의 사건 중 하나가 이러한 중요한 유전자의 확장 및 다각화라는 것을 시사합니다. 과학자들은“이 고대 연계 단위는 동물에서 유전자와 게놈 진화를 이해하기위한 프레임 워크를 제공합니다.
그들의 접근법은 염색체 사건의 미묘하지만 중요한 차이를 구별 할 수 있습니다. 예를 들어, 2020 년 논문에서 연구원들은 척추 동물의 게놈이 캄브리아기 시대에 언젠가는 멍청하고 턱이 난 물고기를 쪼개기 전에 중복을 겪었다 고 추론했다. 그런 다음 두 개의 턱 물고기가 나중에 혼성화되고 게놈의 두 번째 복제를 겪었다는 증거를 발견했습니다. 이 하이브리드는 계속해서 모든 뼈 물고기의 조상이되었습니다.
오레곤 대학교의 게놈 연주자 인 존 포스트 웨이트 (John Post -Lethwait)는 팀의 분석 방법의 중요성을 강조합니다. "그들은 통계적 접근 방식을 취했으며, 단지‘글쎄요, 그런 일이 그런 일이 생겼습니다.’라고 말하지 않았습니다." "이것은 고품질 게놈에 접근 할 수있을뿐만 아니라 이러한 정량적 접근 방식을 취했으며 실제로 이러한 가설을 테스트했다는 것뿐만 아니라 방법론의 정말 중요한 부분입니다."
.이 연구는 게놈 구조론과 유전자 신디니가 우리에게 가르 칠 수있는 시작의 시작 일뿐입니다. 최근 biorxiv.org에서 공유 된 Preprints에서 Rokhsar의 팀은 개구리 염색체의 진화를 재구성했으며 유럽 팀은 Teleost Fish의 염색체 진화를 조사했습니다. 현재 생물학 에 대한 연구 염색체 재배치의 기능적 결과 중 일부를 암시하는 일반적인 메추라기에서 발산 형태의 공존을 유발하는 "거대한 게놈 반전"을 발견했습니다.
.이들 유전자 연계 그룹의 혼합이 지난 5 억 년 동안 계보 다각화 및 진화 혁신과 관련이있을 수 있다는 가설을 세우는 것은 화려하고있다. 염색체 재 배열로 인해 계보가 2로 나눌 수있는 짝짓기 비 호환성으로 이어질 수 있습니다. 새로운 동네에 착륙하는 유전자가 유전자 조절의 혁신으로 이어질 수도 있습니다. Simakov는“이것은 동물의 다양 화에서의 원동력 중 하나 일 것입니다.
Lewin은“이것은 큰 질문입니다. "이것들은 게놈의 진정으로 지각 교대이며 결과가 없을 가능성이 없습니다."
.
